增强现实技术在互动教学中的应用探究

宋燕燕 彭长好 赵莹 秦军 董丽花

摘 要：随着增强现实技术的飞速发展，移动设备与书本的交互过程变得更加容易，只需将移动设备的摄像头对准书本中的某个图片，移动设备就会将对应的虚拟画面叠加到当前屏幕显示的书本内容之上，虚拟信息和实际环境的结合带来了另一种交互方式。文章重点探究增强现实技术在互动教学中的应用案例，通过构建三维场景帮助学生记忆和理解知识点，利用Unity3D引擎实现互动，提高教学效果。

关键词：增强现实技术;互动教学;Unity3D

0    引言

增强现实技术通常是指将计算机生成的虚拟信息增加到现实场景中。增强现实的由来是在20世纪90年代初期，波音公司的Thomas Caudell使用了一种头戴式显示器，给用户的视觉中叠加虚拟物体来帮助完成工作。将移动设备增强现实技术与书本的交互应用可以使書本上的内容呈现更加丰富[1]。在发展信息时代教育的过程中，现代教育技术以其先进的观念、手段和方法发挥着重要的作用。从木制黑板到电动黑板、投影仪、平板电脑、网课教学等，教育水平和技术在不断改善和进步。增强现实这项新兴技术与教育相结合，可以更加促进教育水平的提升，在教育的进程上实现一个飞跃。

1    增强现实技术

增强现实技术以虚拟现实技术为基础，但两者有所区别。虚拟现实是指完全由计算机对现实世界进行模拟，形成虚拟空间，用户通过自然交互设备获得具有沉浸感的体验;而增强现实则是强调计算机生成的信息与实景相融合，计算机生成的信息可以极大地扩充真实场 景的信息量，从而给人们的生产生活带来便利[2]。增强现实技术是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并包含了多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段，常提供人类感知与其他的信息。将增强现实技术应用于教育教学中，学习者可以自然地与3D信息、对象和事件进行交互[3]，实现实景教学、教育互动等，提升学生学习兴趣。将文字、图形、图像、声音、动画和实际环境有机结合，全方位、多视角地呈现在学生面前，这种图文并茂的教学法不断地刺激学生的感官，使学生思维充分活跃，丰富了学生的想象力，拓展了思维空间，促进学生认识事物本质，使发散性思维得到训练。

2    系统设计

该项目开发基于 Windows平台，选择Android平台移动终端为系统发布平台，通过增强现实的图像识别技术在移动终端同时显示摄像头拍摄的真实影像和通过计算机生成的虚拟三维场景。

系统实现流程及模块如图1所示。首先启动程序，与此同时准备好待识别的教学内容图片，准备完成后，开始进行增强现实识别，识别到目标图片以后，即可出现已设计制作好的场景。本系统以《泊秦淮》图片为例进行演示，此时即可正式进入课程，可以通过不同的模块，例如通过视频模块、音频模块、译文模块、赏析模块、题目解释模块和作者背景模块等，在现实画面基础上叠加虚拟场景和画面进行详细的展示，每个模块有其对应的功能。视频模块具有视频的功能，通过播放准备好的视频素材，生动形象地介绍识别图片中的内容;音频模块可以播放朗诵音频，用声音将学生带入场景;译文模块可以显示翻译内容;赏析模块即可显示各个部分的赏析文字;题目模块即可出现题目解释文字;诗人简介模块即可出现诗人相应简介等等完成与学生的互动。

3    场景搭建

通过3Ds Max三维工具进行场景搭建。以《泊秦淮》为例，场景原型为南京古秦淮河，依据唐代建筑的特色搭建房屋群，中国封建社会时期，唐朝便已是经济和文化发展的全盛期，此时建筑风格具有雄伟、严谨、开放的特点。建筑规模大，规划严密，这一时期中国建筑群的整体规划日益成熟，长安（今西安）和洛阳建设了巨大的宫殿、园林和官邸，建筑系统更加标准化、合理化。其次因为有秦淮河，在场景中搭建一座小桥模型。此场景由树木、草坪、河流、小桥和商铺等模型共同构成，基本的场景搭建完成后，为模型添加贴图，搜集符合时代及场景的素材图片进行实现。场景制作完成后导入Unity3D引擎，实现灯光制作、场景烘焙、界面设计及按钮的交互功能。

4    互动教学功能

借助高通增强现实开发包，在Unity3D中设置Vuforia，使用计算机图像技术计算摄像机和标识物之间的相对位置，从而实现将三维虚拟对象叠加到识别物上。一共提供4种识别 物类型以进行选择，包括Single image，Cuboid，Cylinder，3DObject。本案例中采用Single image作为识别物通过摄像头捕捉图片，能够显示出相应的界面及场景，最后虚实相结合出现文字及场景的效果。冲击学生视觉，2D文本与3D场景的转变，不再局限于书本上枯燥的文字，显示出文字所表达的场景，抽象转为实例，给学生带来更大的代入感，站在作者角度有所想、有所感。

在虚拟场景中除了呈现建好的模型以外，还要通过UI界面和按钮功能设计实现交互，分别设计有“视”“音”“赏”“题”“译”“简”等按钮，对应视频解析、音频朗诵、全文赏析、解释题目、译文、作者简介等6个功能模块，点击相应按钮切换到对应的模块中。点击“视”按钮即可出现视频讲解，与卡通画面结合，寓教于乐，无论是低年级或是高年级学生，都可以对此产生兴趣，从而产生想要对知识产生想要探究内涵的想法，沉浸课堂，融入其中，产生和谐的教育课堂氛围。点击“音”按钮即可播放音频，通过浑厚的声音，抑扬顿挫地朗读，表达出诗人杜牧想要通过写诗而书发的情感，作为模板指导学生进行跟随朗读与背诵，加强记忆。部分交互的脚本如下所示，实现效果如图2所示。

5    结语

本文从现代教育技术的角度进行讨论，将增强现实技术和现代教育相结合，探究在互动教学中的应用案例。为教师提供新的教育工具，使学生对新的知识感兴趣，创造自主学习的环境，从传统的学习模式改善到新的学习模式。通过增强现实技术能够提供和展示各种趋于现实的学习情境，把抽象的学习与现实融合起来，激发学生的联想能力。但是对于许多老师和学生来说，自主创建虚拟场景并进行互动有一定难度，因为其需要大量的技术知识。目前，许多公司正在开发易于使用的工具，开发困难的问题应该会逐渐解决。

[参考文献]

[1]邹优嘉.移动设备增强现实技术与书本交互的应用[J].计算机技术与发展，2013（8）：227-229，233.

[2]宋燕燕，曹效业，周灵.移动增强现实技术在互动展示中的应用研究[J].计算机技术与发展，2016（9）：83-86.

[3]姚甜.AR技术在教育领域的应用[J].无线互联科技，2020（4）：158-159.

（编辑 何 琳）